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电子显微镜知识讲座 编辑：南开大学化学院 周杏第 显微镜的历史 大约在400年前（1590年），由荷兰科学家杨森和后来的博物学家列文虎克发明和完善的显微镜，向人们揭示了一个陌生的微观世界，他们是开辟人类显微分析的始祖。 早期的显微镜 因为早期的显微镜以玻璃镜片做透镜，使用可见光为光源，所以人们把它称为光学显微镜。现在，最好的光学显微镜可以达到1500倍的放大倍数。 现代的光学显微镜 在光学显微镜的完善和发展过程中，人们发现：不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其放大倍数和分辨率总是被限定在1000多倍和几百纳米的水平，不可能再有所新的突破。 后来，人们终于发现：是显微镜所使用的光源限制了光学显微镜的放大倍数和分辨率的进一步发展。因为，可见光的波长在390纳米到760纳米之间，而显微镜的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波长的大小，所以光学显微镜的理论极限分辨本领也就在200纳米左右 。 光的本质 光具有波粒两像性，其中波长是光的特性之一。随着科学技术的发展，人们对于光有了深入的认识。人们知道了电磁波，红外线和X射线等等和普通的可见光一样都是光的一种，它们都具有光的一般性质，只不过它们的波长有所不同。 关于显微学的一些基本概念 分辨率 放大倍数与空放大 聚焦，欠焦与过焦 景深 什么是分辨率？ 简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小距离。 人眼睛的分辨率大约为0.1个毫米。 所以，要想看清比0.1个毫米还小的东西，就要借助于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物体至少放大到0.1个毫米以上，我们才能看清它。 不同波长光源分辨本领的比较 点分辨的比较示意图 放大与空放大 定义：对于某一显微镜而言，在其可分辨能力之内的图像放大，叫做有效放大。此时的图像放大不失图像表面的细节。 而在显微镜分辨能力以外的图像放大，叫做空放大，也叫做无效放大。空放大只是放大了图像的轮廓，而不能放大和分辨图像表面的细节。 空放大的示意图 聚焦和景深的概念 聚焦：简单地说就是让图像最清楚。在理论上讲，就是让成像在透镜的焦点上。 欠焦：就是成像还未达到焦点。 过焦：就是成像已超过了焦点。 景深：就是在焦点附近能看清图像的余量。一般在低倍率下景深较大，在高倍率下景深变小。 光学焦距图 电子显微镜的产生 既然是光源限制了显微镜的放大倍数和分辨率的发展，人们自然会想到：要想提高显微镜的放大倍数和分辨率，就应该更换波长更短的光源。随着人们对电磁波的认识，人们了解到：在一定的电压下电子束的波长可以达到零点几个纳米，使用电子束做为光源，显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。 电磁透镜 研究发现：静电磁场可以使电子的运动方向发生改变，对称的静电磁场可以像玻璃聚焦光线那样把电子束汇聚成一点，这使得用电子束聚焦成像成为可能，这样就产生了电磁透镜。由于电磁透镜能把电子束象光一样地聚焦成像，所以使用电子束做为光源的显微镜就应运而生了。这就是电子显微镜。 静电透镜示意图 实用的电子显微镜 经过不断的实验和摸索，在上个世纪三十年代，由德国科学家M·克诺尔与E·鲁斯卡在柏林工学院制造出了世界上第一台透射式电子显微镜。由于使用了电子束做为显微镜的光源，电子显微镜的分辨率大大超过了光学显微镜，达到了零点几个纳米的水平。 电子显微镜与光学显微镜的光路比较 加速电压与电子束波长的关系 电子显微镜的电子束波长视其所使用的加速电压的大小而定，一般加速电压在100KV的电子显微镜其电子束的波长约为0.4纳米，这样电子显微镜的分辨率应该可以达到两个埃(0.2纳米）的水平，这要比光学显微镜的分辨率高的多的多。 超高压的电子显微镜其电子束的波长更短，所以会有更高的分辨率。 普通的透射电子显微镜 超高压电子显微镜 我院电镜室的透射电子显微镜 电子显微镜的分类 电子显微镜基本分为两种类型： 一种是：透射电子显微镜， 另一种是：扫描电子显微镜。 透射电镜是透射成像，图像是二维的，靠欠焦形成一定的图像反差。 扫描电镜是反射成像，图像是三维的，有很好的立体感，但分辨率低于透射电镜，目前指标分辨率可以达到3个纳米。 扫描电子显微镜图 其它型式的显微镜 扫描隧道显微镜：利用隧道电流效应 原子力显微镜：利用原子力效应 激光力显微镜：利用激光作用力 磁力显微镜：利用磁作用力 以上各类显微镜都属于探针触摸效应方式的，而光学显微镜和电子显微镜则属于光的视觉效应方式。 使用电子显微镜的一般要求 由于电子显微镜镜体内为真空系统，所以要求被分析物质应为干燥的，不含有水分或挥发性溶剂的样品。 对于透射电镜还要求被分析样品要做的很薄，最好在100纳米以下，以有利于电子束的穿透成像。 当加速电压较高时，电子束的穿透力会更强，所以样品可以做得厚一些。 透射电镜的制样目的 制样目的：就是要使样品做的很薄，以利于电子束的穿过。 制样方